為什么熱量總是從較熱的物體傳遞到較冷的物體?為什么凋落的樹葉不會重回枝頭,枯萎的花朵不會重新綻放?
自然界中宏觀事物的發展過程都有一個優先的方向,遵循的規律便是熱力學第二定律,也稱“熵增加原理”,它指的是在一個孤立系統里,如果沒有外力做功,其無序的程度(即熵)會不斷增大。
人的生命也如此,從物理層面的運動到精神層面的思考,都會消耗能量并產生熵,打破原有的平衡。我們的大腦也是如此,當我們思考時,大腦會消耗能量,產生熵。
熱力學第二定律,有幾種常用的表述方式。德國物理學家克勞修斯將其表述為:熱量不能自發地從溫度低的物體傳遞到溫度高的物體。英國物理學家威廉·湯姆遜(開爾文勛爵)和德國物理學家馬克斯·普朗克將其表述為:不可能從單一熱源吸取熱量,使之完全變成功,而不產生其他影響。熵增加原理表述為:孤立系統的熵永不自動減少,熵在可逆過程中不變,在不可逆過程中增加。
思考越高級熵越多
人類的大腦每天需要接收、記憶各種信息,學習、理解各種知識,分類、處理各樣事務。這意味著大腦的熵在不斷增加,若不及時優化、排序,大腦就會越來越無序。
研究人員利用功能性核磁共振成像(fMRI)技術,觀測到大腦不同認知功能的區域消耗的氧氣量,從而計算出大腦不同時間、不同位置的能量消耗情況,并通過模型,計算出其產生的熵。
研究發現,當大腦處于休息狀態時,各個腦區處于不同狀態且不斷轉換,但各個狀態之間的轉換是隨機、可逆的。我們認為這是一種“細致平衡(detailed balance)”狀態。
而當大腦處于思考狀態時,各個腦區在不同狀態間的轉換存在方向性,這被稱為“細致平衡破缺(broken detailed balance)”。也就是說,在思考的過程中,神經活動的“細致平衡”被打破了,這時表示混亂程度的熵也增加了。
研究人員發現,在情緒處理、工作、社交、語言、理性思考、風險決策、運動執行等7種不同類型的大腦認知活動中,運動執行和風險決策等活動中的熵產生最明顯,而語言、情緒處理等活動中的熵產生較少。也就是說,進行越高級、越復雜的認知活動,大腦產生的熵越多。
挖掘大腦的潛能
結合這一科學研究與自己用腦學習時的情況想一想、觀察一下,前文中說的與自己的情況是不是一樣?利用這項研究可以讓我們在未來學得更好或變得更聰明嗎?我們又要如何對抗大腦熵的增加呢?
研究表明,當學習的速度慢下來時,神經元中熵的增加會減緩,從而使我們的學習效率不降反升。
對于每個人來說,大腦是我們身體的總指揮部,對抗大腦熵增加的方法就是科學用腦,不斷挖掘大腦的潛能。例如,在學習方面,可以不斷地重復、慢慢雕琢、反復練習,要知道“欲速則不達”“慢工出細活”反而學習效率更高。或者去看一場電影、讀一本書、與朋友進行一次暢談,從中探索到新鮮的信息、知識或智慧,為大腦“減熵”。
人類對自身大腦的認知與探索神秘而迷人的宇宙一樣,充滿未知卻又其樂無窮。想要真正解鎖人類大腦蘊藏的玄機還有很長的路要走,但相信總有一天,人們能解開大腦的終極奧秘!
知識鏈接
用生活中的例子幫你理解“熵”
整潔的桌面,如果我們不隨時整理、清潔,使用一段時間后,會變得雜亂無章。桌面的混亂程度,就是熵。若我們一直不整理(即沒有外力做功),桌面就會越來越亂(即熵會不斷增大)。
再比如,我們買來的新電腦,運行速度通常會很快,但是如果我們長期不清理垃圾文件,它就會變得越來越卡頓,也就是熵在不斷增大。
“貪吃”的大腦
在人體中,大腦的重量僅占體重的2%,但是消耗的能量卻達到了整體消耗的20%~30%,大腦“貪吃”葡萄糖的習慣使其成為全身耗能最大的器官。
你或許會覺得,大腦每天要思考那么多事情、學習那么多知識、作出那么多決定,肯定會有很多消耗。而你大概沒有想到,這20%其實是大腦靜息狀態的耗能——即使什么都不想,神經元(如上圖所示,它是神經系統最基本的結構和功能單位)在休息時也會消耗如此多的能量,又被稱作大腦的“暗能量”。若是再進行一番“深思熟慮”,那消耗的能量還要再多5%~10%。
童年時期的大腦甚至更加“貪吃”,對氧的需求量較成年人更大。研究顯示,五六歲兒童的大腦消耗的能量可以占到全身的50%~60%。
此外,即便大腦處于極度不活躍的狀態(例如昏迷),其葡萄糖消耗量也只下降到了正常水平的一半,與其他器官相比仍是高耗能的。
(作者單位:同濟大學生命科學與技術學院)
責任編輯:胡惠雯